段勇存，王力男,裴文端

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種機(jī)載衛(wèi)星通信終端頻率捕獲跟蹤算法

段勇存，王力男,裴文端

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：作為一種特殊的衛(wèi)星通信設(shè)備，機(jī)載衛(wèi)星通信終端在工作環(huán)境上和普通通信終端有很大的區(qū)別。在終端通信過(guò)程中，多普勒頻移變化給頻率捕獲和跟蹤帶來(lái)了很大的困難。針對(duì)機(jī)載終端通信過(guò)程中多普勒頻移變化快的問(wèn)題，提出一種多波束載波頻偏估計(jì)算法。詳細(xì)描述了頻率捕獲和同步跟蹤的過(guò)程，通過(guò)利用相鄰波束的頻率校正信道，在每一個(gè)TDMA幀中搜索頻率校正信息，可以在較短時(shí)間內(nèi)鎖定頻率和定時(shí)信息。通過(guò)MATLAB對(duì)算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該算法能有效地解決載波快速捕獲與精確跟蹤的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：機(jī)載終端；相鄰波束；多普勒頻移；頻率捕獲跟蹤

0引言

在機(jī)載衛(wèi)星移動(dòng)設(shè)備通信中，由于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間快速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得接收信號(hào)遭受多普勒效應(yīng)影響[1]，其次，由于衛(wèi)星功率的限制，信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)很高，長(zhǎng)距離的傳輸引入大量的噪聲，信號(hào)會(huì)受到噪聲的影響，給接收系統(tǒng)進(jìn)行正確的接收和處理帶來(lái)很大的麻煩。另外在飛機(jī)飛行姿態(tài)與飛行速度變化時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移變化[2]。接收信號(hào)將存在一個(gè)不斷變化的多普勒頻偏。

本文所基于的系統(tǒng)采用GEO衛(wèi)星進(jìn)行通信，當(dāng)機(jī)載終端以1 000 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，在3g的加速度下，多普勒頻偏可以達(dá)到幾千赫茲[3]。如此大的多普勒頻偏變化會(huì)對(duì)信號(hào)解調(diào)過(guò)程造成極大的影響。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)載衛(wèi)星通信終端的信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)為在較低信噪比、高動(dòng)態(tài)的環(huán)境下的載波信號(hào)捕獲和跟蹤[4]。

1信號(hào)捕獲

在信號(hào)捕獲過(guò)程中，機(jī)載終端和手持/車(chē)載終端不同，其工作環(huán)境存在較大的多普勒頻移，機(jī)載終端的動(dòng)態(tài)變化，引起一段時(shí)間之內(nèi)頻率可能會(huì)出現(xiàn)較大的變化。系統(tǒng)定義單個(gè)波束中固定數(shù)量突發(fā)幀結(jié)構(gòu)中只含有一個(gè)FCCH(頻率校正信道)[5]。通過(guò)研究標(biāo)準(zhǔn)，可以搜索到當(dāng)前波束以及相鄰波束中的信息，利用波束七色復(fù)用(如圖1所示)，同時(shí)搜索相鄰波束中的FCCH信道，實(shí)現(xiàn)每幀都搜索FCCH，而在每幀內(nèi)，頻率最大變化為4 Hz，這樣相鄰波束的頻率信息在相對(duì)較小的頻率變化后及時(shí)捕獲頻偏信息，進(jìn)而完成頻率和定時(shí)的初始捕獲[6]。

圖1　波束七色復(fù)用

頻率校正突發(fā)(FCCH)采用chirp調(diào)制，若chirp信號(hào)表達(dá)式為：

x(t)=cos(πμ(t-T/2)2)，

式中，chirp信號(hào)持續(xù)時(shí)間為(0，T)，則chirp信號(hào)的掃頻帶寬為B=μT。

頻率控制信道占用n個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙m個(gè)符號(hào)周期，chirp信號(hào)持續(xù)m*n個(gè)符號(hào)周期，信道符號(hào)速率fs為16 ksps，其調(diào)制基帶信號(hào)復(fù)包絡(luò)定義為：

式中，p(t)是一個(gè)(-T/2,T/2)內(nèi)為1、其余為0的單位矩形脈沖，μ=0.96/(120T2)，chirp信號(hào)帶寬B=μ*120T=0.96/T，T=1/fs=0.062 5ms，相應(yīng)的，掃頻帶寬為15.36 kHz，即掃頻范圍為(-7.68 kHz,7.68 kHz)?？梢酝瓿蓹C(jī)載終端最大的多普勒頻移2.03 kHz的捕獲[7]。

在初始頻率捕獲階段，處理流程如圖2所示，將接收信號(hào)與本地上下兩路掃頻信號(hào)相乘后再進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，通過(guò)檢測(cè)頻域峰值位置的變化規(guī)律[8]，即可估計(jì)出初始頻率偏差。

圖2　頻偏初始捕獲

chirp搜索判決條件：

① 上掃頻支路計(jì)算出的峰值頻率f1和下掃頻支路計(jì)算出的峰值頻率f2產(chǎn)生交叉，且交叉點(diǎn)前、后幾對(duì)f1、f2滿(mǎn)足斜率絕對(duì)值相等、符號(hào)相反；

② 交叉點(diǎn)處上、下掃頻支路的峰值功率P1和P2比較接近，且交叉點(diǎn)前、后幾對(duì)P1、P2值要分別小于交叉點(diǎn)處的P1、P2值。

同時(shí)滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件，即認(rèn)為捕獲到chirp信號(hào)。按照?qǐng)D2中頻偏初始捕獲流程，設(shè)計(jì)出chirp搜索的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。本地上下掃頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)選通器(MUX)分別和采樣數(shù)據(jù)相乘，進(jìn)而通過(guò)FFT模塊，平方和之后得到頻譜峰值，設(shè)置觀測(cè)窗口完成對(duì)chirp信號(hào)的搜索，得到頻率偏移和定時(shí)偏移的信息。

圖3　chirp搜索實(shí)現(xiàn)框圖

頻率校正突發(fā)信道處理完成后的頻偏信息的精度為T(mén)s*N/P*2，其中Ts為采樣速率，N為采樣倍數(shù)，P為FFT的點(diǎn)數(shù)。通過(guò)降低采樣速率，或者適當(dāng)增加FFT長(zhǎng)度來(lái)獲得一個(gè)更佳的頻率分辨率和更高的抗噪性能(FFT的長(zhǎng)度的變大會(huì)導(dǎo)致FFT的運(yùn)算量有很大的增加)，將初始捕獲的頻偏精度提高。

2載波同步跟蹤

2.1頻偏估計(jì)

頻率偏差估計(jì)算法的原理就是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，可以得到含有載波頻率偏差f0的信號(hào)，然后利用頻偏估計(jì)算法再對(duì)該信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，從而得到頻偏估計(jì)值。在機(jī)載衛(wèi)星通信終端中，多普勒頻移使得接收機(jī)信號(hào)中存在高動(dòng)態(tài)的載波頻率偏差[9]。為了實(shí)現(xiàn)載波相位的快速準(zhǔn)確捕獲，需要有一個(gè)頻率跟蹤環(huán)路輔助載波相位跟蹤環(huán)路。在以往的載波頻率跟蹤環(huán)路或者載波頻偏參數(shù)估計(jì)算法中，交叉噪聲引入頻率跟蹤環(huán)路，使得頻偏誤差控制精度與輸入信噪比之間存在很強(qiáng)的依賴(lài)性，其性能受到限制[10]。

本文提出一種快速傅里葉變換FFT載波頻偏估計(jì)器算法，它無(wú)需輔助數(shù)據(jù)(NDA)就能直接檢測(cè)得到載波頻偏絕對(duì)值大小，當(dāng)輸入端信噪比大于一個(gè)門(mén)限時(shí)[11]，其頻偏估計(jì)值的誤差精度只與頻偏檢測(cè)其設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，而與輸入端信噪比無(wú)關(guān)，并且非常適合于FPGA實(shí)現(xiàn)。頻偏估計(jì)過(guò)程如圖4所示。

圖4　頻偏估計(jì)過(guò)程

2.2相位估計(jì)

由于噪聲等因素的影響，經(jīng)過(guò)頻偏估計(jì)和校正之后的結(jié)果與實(shí)際的頻偏有誤差，使用上一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)FFT頻率估計(jì)后的頻差信息，還剩下沒(méi)有去掉的小頻差。此時(shí)的較小的頻偏相對(duì)與符號(hào)速率是個(gè)慢變化，可認(rèn)為在短時(shí)突發(fā)信號(hào)中沒(méi)有頻偏，只有相偏，需要減少這個(gè)剩余的小頻偏對(duì)性能的影響[12]。

算法介紹：載波相位恢復(fù)算法采用V&V算法，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行M次方運(yùn)算，BPSK進(jìn)行2次方，QPSK進(jìn)行4次方，8PSK進(jìn)行8次方運(yùn)算，完成后把數(shù)據(jù)暫存。進(jìn)行估計(jì)載波瞬時(shí)相位運(yùn)算，包括累加、平均、求角度，求出頻差信息。與輸入原始數(shù)據(jù)相乘。消除頻差。

載波瞬時(shí)相位估計(jì)算法如下：① 每N個(gè)數(shù)據(jù)分為一段，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加；(圖5中N取16);② 前后兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分相乘；③ 累加差分?jǐn)?shù)據(jù)；④ 求角度；⑤ 角度截位處理，如果是M次方，N個(gè)數(shù)據(jù)累加，那么對(duì)計(jì)算出的角度值進(jìn)行截位，截J位，其中J=log2(N*M)。

圖5　相位估計(jì)流程

如圖5所示，取N=16時(shí)，具體計(jì)算步驟為：

y=x2*(x1)*+x3*(x2)*+x4*(x3)*+……，

相應(yīng)的FFT估計(jì)頻差為：

式中，BCCH(X,N+j)表示第x波束N+j幀的BCCH信道，PCHy,N+j表示第y波束N+j幀PCH信道。

相位估計(jì)算法為：ΔφN=

式中，BCCHX,N+j,partk表示第x波束N+j幀的BCCH信道經(jīng)過(guò)非線性變換后的第K段信號(hào)，PCHy,N+j,partk表示第y波束N+j幀PCH信道后的第K段信號(hào)，對(duì)4個(gè)相鄰信道估計(jì)出的相位進(jìn)行平均后得到相位估計(jì)值。

3仿真實(shí)現(xiàn)

本文的仿真模型是在MATLAB中建立的。仿真實(shí)驗(yàn)中采用的信道為240個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，符號(hào)速率16 ksps，采樣倍數(shù)為4倍采樣。加入如表1中所示的最大多普勒頻移和多普勒變化率。

表1　機(jī)載終端多普勒參數(shù)變化

如圖6仿真結(jié)果所示，本文中算法可以完成機(jī)載終端的頻率捕獲和跟蹤，算法的誤比特率和理論值接近，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于信噪比門(mén)限和性能的要求。

圖6　算法和理論之間的誤比特率比較

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)機(jī)載終端工作環(huán)境的特殊性，結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)，提出新的頻率捕獲和跟蹤算法，充分利用系統(tǒng)相鄰波束的頻率校正信息，在較短的時(shí)間完成頻率變化的捕獲，通過(guò)在系統(tǒng)常用信道下的仿真實(shí)驗(yàn)，表明算法可以達(dá)到性能要求，從而完成終端的通信過(guò)程。

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A Frequency Acquisition and Tracking Algorithm of Airborne Satellite Communication Terminal

DUAN Yong-cun,WANG Li-nan,PEI Wen-duan

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：As a special satellite communication equipment,the airborne satellite communication terminal operates in an environment very different from common communication terminals.Under the circumstances of high Doppler shift,it is difficult to achieve frequency acquisition and tracking in the process of communication.To solve the problem that airborne terminal’s Doppler frequency shift changes quickly in the process of communication,this paper presents a multibeam carrier frequency offset estimation algorithm.The process of frequency capture and synchronous tracking is described in detail.During this process,the algorithm searches frequency correction information of each TDMA frame by using the frequency correction channel of adjacent beam,in another word it can determine the initial frequency and timing information in a relatively short period of time.The algorithm is simulated by MATLAB,and the results show that it can effectively implement fast carrier acquisition and accurate tracking.

Key words：airborne terminal；adjacent beam；Doppler shift；frequency acquisition and tracking

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)03-33-4

作者簡(jiǎn)介：段勇存(1990—)，男，在讀研究生，主要研究方向：衛(wèi)星移動(dòng)通信調(diào)制解調(diào)。王力男(1968—)，男,研究員,主要研究方向:衛(wèi)星移動(dòng)通信。裴文端(1964—)，男，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

收稿日期：2016-02-26

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.09

引用格式：段勇存，王力男，裴文瑞.一種機(jī)載衛(wèi)星通信終端頻率捕獲跟蹤算法[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(3):33-36.